CN87100136A

CN87100136A - 一种数控机床自适应控制仪与控制方法

Info

Publication number: CN87100136A
Application number: CN 87100136
Authority: CN
Inventors: 何钺; 陈康宁; 侯延明; 毛宁; 阳含和
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 1987-01-06
Filing date: 1987-01-06
Publication date: 1988-07-20

Abstract

本控制仪由单板机，控制柜，直接测量加工误差的数控测量装置，驱动刀具运动的步进电机，零件加工程序软件，控制工件形状尺寸精度的自适应控制软件组成。其测量头位于工件对面并与工件不接触，即可防止测量的磨损又可直接测量加工误差，有效地提高了加工精度，它的控制方法为X方向上的直接闭环控制，这种全闭环的直接控制方法可以对由于弹性变形、热变形、刀具磨损、机床本身误差等引起的加工误差进行综合控制。

Description

本发明属于机械制造领域的切削加工自动控制

当前的数控机床按加工精度的控制方法可分为：开环控制和闭环控制。其中开环控制在加工过程中没有对加工误差的实时检测，对于不能预知的随机变化所引起的误差是无法纠正的，苏联专利《最优切削模式的确定装置》（SU 1135-603-A，85-189020/31）所采用的就是这种开环控制方式。半闭环控制是通过对某一个或几个能够表征加工精度的参数的控制，间接的加工误差进行控制，如：Б.C巴拉克辛主编的《机床的适应控制》中认为弹性变形是影响加工精度的主要原因，于是通过对机床-夹具-刀具工件系统的弹性变形，甚至弹性力的控制来达到对加工精度的控制。西班牙专利《数控机床的位置控制系统》（80-F8002 C/27＝EP-12-620-B）是通过控制加工系统的热变形，来控制加工误差的，而《自适应切削过程控制系统》（84-035987/06SU1009-717-A）是通过控制转速和进给，使得刀具磨损最少，由此而引起的加工误差最小。上述的专利和著作所提出的控制方法和装置都不完善，这是由于机床切削引起的误差是由于多方面因素造成的，单纯的对某一项因素进行控制所能提高的精度就是很有限的。

从测量装置的布置来看《在数控机床中测量距离》（81-H818D/34＝US4451-892-A）《具有位置测量头的外圆磨床》（85-218764/36GB2154-163-A）等，都是将测量装置安排在刀具的同一侧，这样一方面受刀具结构的限制，测量头不可能很靠近切削点，因此测量精度会受到影响，另一方面无法反映某些几何形状误差（如圆柱度）。《机床的适应控制》（Б、C、巴拉克辛主编）一书中提出，测量传感器安装在切削刀具之后，同刀具一起在进给方向上移动，但由于传感器相对于切削刀具的位置偏置而造成的信息滞后，却对控制精度有很大影响，目前，在对切削加工的控制方面确实存在这一问题。

从测量方式看，《测量工件尺寸的机床自适应控制系统》（84-156412/25 SU-998-091）等都是采用的接触式测量，测量头易磨损，且受切削加工时产生的振动、以及工件表面材质不均的影响很大。

本发明针对上述缺点与不足，制造一种测量精度较高的数控机床自适应控制仪，并提供一种新的控制方法。

本发明的要点在于所提供的数控机床自适应控制仪是由单板机，控制柜、测量装置、二台驱动刀具运动的步进电机、零件加工程序软件，和控制形状尺寸精度的自适应控制软件组成。它的测量装置是由一测量头并通过一联接件联接在截面为矩形的带有齿条的活动杆一端，活动杆由一微步进电机驱的带有齿轮的装置带动，此装置可为微步进电机的轴与小齿轮相联，与小齿轮啮合的大齿轮带动一连轴齿轮，连轴齿轮与带有齿条的活动杆相啮合并驱动它运动。其连轴齿轮被固定在两个滚动轴承中间，滚动轴承通过两个滚动轴承压盖定位在箱体上，其大齿轮利用一轴套固定在连轴齿轮上，轴套并起大齿轮与轴承之间的定位作用。

活动杆由若干个滚动轴承，支持杆和压紧装置定位，可为滚动轴承4个，支持杆4根，压紧装置2个，即在截面为矩形的带有齿条的活动杆的一侧由两个固定在两根支承杆上的滚动轴承在水平方向上导向，与其相对的侧面通过两个压紧装置将活动杆压紧在导向轴承上，活动杆的底部由两个安装在二根支持杆上的滚动轴承导向在垂直方向上支承。这样活动杆就在4个滚动轴承所确定的空间内自由运动。其压紧装置每一个都是由滚动轴承、弹簧、调整螺钉、螺帽、及壳体组成，壳体固定在箱体上，并由螺帽锁紧。

上述的滚动轴承，支持杆和压紧装置固定在一带有支架的箱盖的箱体内，在箱体顶部装有显示测量精度的数字显示器。整个测量装置由支架通过可调连接件，可为一普通的螺栓，连接在机床的溜板上，通过调节螺母的位置可使整个测量装置上下移动，以适应测量高度的需要，而测量装置的测量头位于加工刀具的对面与工件不接触，并在工件轴线方向上与刀具保持一固定距离。

本装置的控制方法为X方向的直接闭环控制，即测量装置的测量头在加工过程中测得工件的加工误差以电信号的形式经放大反馈输入单板机，单板机根据输入的电信号通过控制工件形状尺寸精度的自适应控制软件计算出最佳补偿控制量并发出控制信号，控制信号经控制柜放大后来控制X方向的步进电机的补偿运动，同时单板机零件加工程序软件控制Y方向步进电机运动，二者带动刀具完成加工精度控制，同时控制了工件的圆柱度，在加工过程中单板机还通过微电机来控制测量头，按照工件的理想尺寸做一定的伸缩运动形成加工过程的参考模型。

步进电机的输入作为整个装置的输入线与单板机的输出控制线相连，同时测量装置的输出线作为整个装置的输入线与控制柜的输入线相连。

本控制仪利用直接来自工件表面的尺寸误差和形状误差作为控制系统的反馈信息，这种全闭环的直接控制方法可以对由于弹性变形，热变形，刀具磨损，机床本身误差等引起的加工误差进行综合控制。

本控制仪由于采用了自适应控制软件，避免了由于信息滞后而带来的误差。

本发明所提出的测量装置布置方法不受刀具位置的限制和飞屑的影响，可使测量头尽可能靠近刀具，更有效的提高了加工精度，同时能够反映出工件的圆柱度误差。

本发明采用非接触测量，避免了测量头磨损等因素的影响，通过对测量头运动的计算机控制，能够测量出阶梯轴的断续表面和曲面的误差。

本控制仪适用于各种类型的机床，如外圆磨床，平面磨床，无心磨床，车床等，应用本发明可以显著提高加工精度。

附图1是数控机床自适应仪实施例。图中（1）是单板机，（2）是控制柜，（3）是刀具，（12）直接测量加工误差的数控测量装置，（31）X方向的步进电机，（32）是Y方向的步进电机，（33）是被加工的试样。

附图2是测量装置的剖面图。图中（6）活动杆，（7）微步进电机，（9）箱盖，（10）箱体，（11）数字显示器，（15）小齿轮，（16）大齿轮，（17）连轴齿，（18）（19）滚动轴承，（20）（21）滚动轴承盖，（22）支承杆，（23）滚动轴承，（24）弹簧，（25）滚动轴承，（26）调整螺钉，（27）壳体，（28）螺帽，（29）支承杆，（30）滚动轴承。（34）轴套。

附图3是测量装置的另一剖面图。图中（4）测量头，（5）与活动杆相联的连接件，（6）活动杆，（13）可调连接件，（8）支架，（14）机床溜板，（9）箱体。

附图4是总体控制框图。

Claims

1、一种数控机床自适应仪，它含有单板机(1)、控制柜(2)、测量装置、二台驱动加工刀具(3)运动的步进电机、零件加工程序软件，其特征在于它还含有控制工件形状尺寸精度的自适应控制软件、其测量装置为一测量头(4)并通过连接件(5)联接在一带有齿条的活动杆(6)一端，活动杆由一微步进电机(7)驱动的带有齿轮的装置带动，其活动杆由若干个滚动轴承、支持杆和压紧装置定位、使活动杆在它们所确定的空间内自由运动，滚动轴承，支持杆和压紧装置固定在一带有支架(8)和箱盖(9)的箱体(10)内，在箱体的顶部装有显示测量精度的数字显示器(11)组成的直接测量加工误差的数控测量装置(12)，其测量装置由支架通过可调连接件(13)连接在机床的溜板(14)上，其测量头位于加工刀具的对面与工件不接触，并在工件轴线方向上与工具保持一固定距离。

2、按照权利要求1所述的数控机床自适应控制仪，其特征在于所述的微步进电机驱动的带有齿轮的装置为微步进电机轴与一小齿轮（15）相联，小齿轮带动一大齿轮（16），大齿轮带动一连轴齿轮（17），连轴齿轮驱动带有齿条的活动杆运动，连轴齿轮由滚动轴承（18）与滚动轴承（19）定位，两个滚动轴承固定在箱体上，并由滚动轴承盖（20）（21）定位。

3、按照权利要求1、2所述的数控机床自适应控制仪，其特征在于所述的带有齿条的活动杆定位滚动轴承有四个、支持杆4根、压紧装置2个，即在截面为矩形的带有齿条的活动杆的一侧由两个固定在两根支承杆（22）上的滚动轴承（23）在水平方向上导向，与它相对的侧面由两个由弹簧（24）滚动轴承（25）与调整螺钉（26）及壳体（27）组成的压紧装置将带有齿条的活动杆压紧在导向滚动轴承（23）上，壳体固定在箱体上并由螺帽（28）锁紧，在带有齿条的活动杆的底部由两个固定在两根支承杆（29）上的滚动轴承（30）导向在垂直方向上支承。

4、按照权利要求1、2所述的数控机床自适应控制仪，其特征在于它的控制方法为X方向上的直接闭环控制，即单板机可通过测量装置的微步进电机控制测量头按工件理想尺寸做伸缩运动形成加工参考模型，测量头测出工件加工误差信号输入单板机，单板机通过自适应控制软件运算发出补偿信号经控制柜放大，来控制X方向步进电机（31）的补偿运动，同时单板机零件加工程序软件控制Y方向步进电机（32）的运动，并带动刀具完成加工精度控制，同时控制了工件的圆柱度。

5、按照权利要求3所述的数控制仪，其特征在于它的控制方法为X方向上的直接闭环控制，即单板机可通过测量装置的微步进电机控制测量头按工件理想尺寸做伸缩运动形成加工参考模型，测量头测出工件加工误差信号输入单板机，单板机通过自适应控制软件运算发出补偿信号经控制柜放大，来控制X方向步进电机（31）的补偿运动同时单板机零件加工程序软件控制Y方向步进电机（32）的运动，并带动刀具完成加工精度控制，同时控制了工件的圆柱度。